Etude de la réplication de l'ADN chez les Archaea

279 Pages·2008·18.2 MB·French

Etude de la réplication de l’ADN chez les Archaea
Jonathan Berthon
To cite this version:
Jonathan Berthon. Etude de la réplication de l’ADN chez les Archaea. Biochimie [q-bio.BM]. Univer-
sité Paris Sud - Paris XI, 2008. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00344124￿
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U.F.R. SCIENTIFIQUE D’ORSAY

THESE
présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN SCIENCES DE L’UNIVERSITE PARIS-SUD 11

N° d’ordre : 9256

Discipline : BIOLOGIE

par

Jonathan BERTHON

Etude de la réplication de l’ADN
chez les Archaea

Thèse dirigée par le Professeur Patrick FORTERRE

Soutenue le Jeudi 27 Novembre 2008

Composition du jury :
M. Nicolas GLANSDORFF Rapporteur
M. Joël QUERELLOU Rapporteur
M. Daniel GAUTHERET Président
M. Laurent JANNIERE Examinateur
M. Patrick FORTERRE Directeur de thèse

Prologue

Ma première rencontre anonyme avec le professeur Patrick Forterre remonte à la lecture
d’un article sur l’origine du génome publié en Novembre 2000 dans un numéro du magazine
La Recherche consacré aux origines de la vie ; Patrick y développait déjà son fétichisme des
virus. Ma seconde rencontre quelque peu insolite avec le professeur Patrick Forterre eut lieu
dans un amphithéâtre. Ce jour là, Patrick, que je n’avais jusque-là jamais rencontré, arriva à
son cours en retard. Il ne prit pas le temps de se présenter, bredouilla quelques excuses pour
justifier son retard, nous révélant que, le nez plongé dans un article passionnant, il n’avait pas
levé les yeux à temps et avait manqué son arrêt de RER. Il commença ensuite son cours,
toujours sans avoir fait les présentations, et parla de l’origine du génome et, entre autres
choses, de l’étymologie du mot ribosome. Réalisant soudain que le professeur anonyme que
j’avais devant moi parlait avec les mots du professeur Patrick Forterre, je m’indignais que
celui-ci parla, sans même citer ses sources, des idées d’un autre, mais compris tout aussi vite
qu’il s’agissait certainement du professeur Patrick Forterre lui-même. Lorsque le cours prit fin
et qu’il se présenta enfin, j’eus la confirmation que j’attendais, et m’en tenais à cette première
impression : curieux personnage !
Je recroisais ensuite Patrick dans le module Evolution de mon cursus de maîtrise, en
apprit davantage sur les Archaea, sur Carl Woese et l’origine du vivant. Je dus ensuite faire
face à Patrick pour l’examen oral de ce module pendant lequel je flattai bassement son ego en
lui disant que j’appréciai sa théorie de la thermoréduction (que je trouve réellement
séduisante). Nous parlâmes aussi du roi Carl Woese dont j’avais pris la peine, en ma qualité
d’étudiant zélé, de lire quelques articles pour préparer l’examen. Je dis avec franchise que
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j’avais trouvé la prose du bonhomme un brin élitiste, presque ésotérique et son ton
péremptoire, voire cynique. C’était sans savoir que Carl avait fait sa traversée du désert,
s’efforçant d’imposer son concept des trois domaines cellulaires du vivant à une communauté
scientifique qui n’en voulait pas. Je dus malgré tout faire bonne impression lors de cet oral car
Patrick s’en alla chercher quelques tirés à part de ses articles qu’il me glissa dans la main
avant notre séparation, et sur ces entrefaites j’abandonnai ma première impression pour ma
deuxième impression : sympa le gars !
La suite est un concours de circonstances : je viens frapper à la porte de Patrick car je
suis dans la panade, sans DEA pour m’accepter. Il se démène, me trouve deux stages pour que
je reste au contact de la science. Rebelote l’année suivante, à l’issue du DEA, mais Patrick a
des projets pour moi, une thèse, et veut m’envoyer au Japon pendant un an, voire deux ans.
Quelle idée, je n’ai jamais dit aimer les sumotoris !

Le reste n’est qu’anecdotes : la confrontation entre deux cultures, du riz, une charmante
entremetteuse, un restaurant de grillades, encore du riz, un gâteau à la patate douce, un anorak
fuchsia, une pommade à lèvres goût cerise, toujours du riz, un mariage, et bientôt qui sait des
petits sumos ?

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Remerciements

Je n’aurais pas de mots assez forts et assez justes pour remercier Patrick pour tout ce
qu’il a fait pour moi ces dernières années. Je le remercie solennellement pour m’avoir donné
l’opportunité de réaliser une thèse entre France et Japon. Je remercie également Evelyne pour
sa formidable générosité.
Je souhaite ensuite remercier le professeur Yoshizumi Ishino pour m’avoir accueilli
dans son laboratoire au Japon. Je remercie aussi l’ensemble des membres de son équipe pour
leur accueil chaleureux, leur bonne humeur, leur gentillesse empruntée.
Je tiens à remercier plus particulièrement Kenzo Fukunaga pour m’avoir épaulé lorsque
je subissais le contrecoup du choc culturel ; merci également à Shinichi Kiyonari pour son
aide avec le Biacore.
Je me dois de remercier Gilles Henckès, Robert Aufrère et leurs étudiants pour m’avoir
assisté dans le clonage des gènes de réplication et de traduction.
Je remercie aussi Sophie Quevillon-Cheruel pour son aide technique et ses conseils. Je
remercie au même titre Arnaud Hecker pour m’avoir coaché lors de ma première année de
thèse au laboratoire BMGE.
Je tiens aussi à remercier Ryosuke Fujikane pour avoir répondu avec une inaltérable
gentillesse et une inébranlable persévérance à mes stupides interrogations.
Je remercie vivement Céline Brochier-Armanet pour sa relecture détaillée et critique
des épreuves du Chapitre IV, ses conseils d’écriture, ses recommandations et ses corrections.
v
Je remercie Monsieur Nicolas Glansdorff et Monsieur Joël Querellou pour avoir
gentiment accepté d’être mes rapporteurs. Merci, également à Monsieur Laurent Jannière et à
Monsieur Daniel Gautheret pour avoir bien voulu faire partie de mon jury de thèse.
Je remercie également mes soutiens financiers lors de mon équipée japonaise : le
Collège Doctoral Franco-Japonais et la Japan Society for Promotion of Science.
Je remercie aussi tous les anonymes de ma classe de salsa pour avoir égayé de manière
hebdomadaire ma dernière année de thèse.
Je remercie ma famille et mes proches pour leur soutien indéfectible et leurs nombreux
encouragements.
Un immense merci à Tsukiko et Toshihiko Kaneco pour avoir accueilli un gaijin dans
leur famille et m’avoir considéré comme un fils malgré mon pesant mutisme japonais. Merci
à Kayoko, ma grande sœur du bout du monde, pour sa gentillesse.
Enfin et surtout, je remercie infiniment ma femme Yumiko pour son soutien moral. Je
tiens aussi à lui exprimer mon admiration pour son abnégation et pour le courage dont elle fait
preuve chaque jour en cette terre d’exil pour vivre à mes côtés.

vi

Summary

Study of DNA replication in Archaea

Cellular organisms belong to one of the three domains of life: Archaea, Bacteria, and
Eucarya. Archaea are unicellular organisms with a bacterial phenotype, yet they exhibit many
eucaryotic features at the molecular level. In particular, archaeal DNA replication machinery
is a homologous and simplified version of that in eucaryotes. In this work, I have studied
archaeal DNA replication with both in vitro and in silico approaches.
First, I have tried to purify the archaeal replication initiator protein Cdc6/Orc1 in its
native form, in the hope to set up the first in vitro archaeal DNA replication system.
Unfortunately, this approach was not successful, because of the aggregation properties and
instability of the protein.
Secondly, I have carried out a comparative analysis of the genome context of DNA
replication genes in archaeal genomes. This analysis has led to the identification of a widely
conserved association between DNA replication and ribosome-related genes. This genomic
organization suggests the existence of a mechanism coupling DNA replication and translation.
Remarkably, experimental evidence supporting this idea is emerging piecemeal from
biochemical studies in bacteria and eucaryotes. I have then set up some experimental tools
that will allow testing some of these in silico predictions in the near future.
Finally, I have examined the taxonomic distribution of DNA replication genes in
archaeal genomes in order to infer the probable composition of the DNA replication
machinery of the last archaeal common ancestor. Overall, the phyletic patterns of archaeal
DNA replication genes suggest that the DNA replication apparatus of this ancestor was likely
more complex than that of contemporary archaeal cells.

Keywords: Archaea | DNA replication | Cdc6/Orc1 | Genomic context | Comparative
analysis | Evolution | Functional coupling | Ribosome
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Résumé

Etude de la réplication chez les Archaea

Les organismes cellulaires appartiennent à l’un des trois domaines du vivant : Archaea,
Bacteria, Eucarya. Les Archaea sont des organismes unicellulaires avec un phénotype
bactérien mais qui possèdent de nombreux caractères moléculaires eucaryotes. En particulier,
la machinerie de réplication archéenne est une version homologue et simplifiée de celle des
eucaryotes. Au cours de cette thèse, j’ai étudié la réplication de l’ADN chez les Archaea en
combinant des approches in vitro et in silico.
Premièrement, j’ai essayé de purifier la protéine initiatrice de la réplication Cdc6/Orc1,
sous une forme native, dans l’espoir de mettre au point le premier système de réplication de
l’ADN in vitro chez les Archaea. Malheureusement, cette approche a été infructueuse en
raison de l’instabilité et des propriétés d’agrégation de la protéine.
Deuxièmement, j’ai réalisé une analyse comparative du contexte génomique des gènes
de réplication dans les génomes d’Archaea. Cette analyse nous a permis d’identifier une
association très conservée entre des gènes de la réplication et des gènes liés au ribosome.
Cette organisation suggère l’existence d’un mécanisme de couplage entre la réplication de
l’ADN et la traduction. De manière remarquable, des données expérimentales obtenues chez
des modèles bactériens et eucaryotes appuient cette idée. J’ai ensuite mis au point des outils
expérimentaux qui permettront d’éprouver la pertinence biologique de certaines des
prédictions effectuées.
Finalement, j’ai examiné la distribution taxonomique des gènes de la réplication dans
les génomes d’Archaea afin de prédire la composition probable de la machinerie de
réplication de l’ADN chez le dernier ancêtre commun des Archaea. Dans leur ensemble, les
profils phylétiques des gènes de la réplication suggèrent que la machinerie ancestrale était
plus complexe que celle des organismes archéens contemporains.

Mots clefs : Archaea | Réplication de l’ADN | Cdc6/Orc1 | Contexte génomique | Analyse
comparative | Evolution | Couplage fonctionnel | Ribosome
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